CN106199070B - 单锚点支撑式硅微谐振式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，包括下层玻璃基底，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在玻璃基底和引线层上设有键合层，通过键合层把硅结构层悬置于玻璃基底之上；整个上层硅结构层的可动结构由唯一的锚点支撑；上层硅结构层包括固定支撑框架和两个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二上层硅微机械子结构，第一、第二上层硅微机械子结构沿竖直方向排列，并且关于上层硅微机械结构中心水平轴对称；第一、第二上层硅微机械子结构形成的差分结构构成一组加速度测量模块。本发明不仅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料属性不匹配所带来的影响，而且可以消除键合时产生的残余应力以及环境变化时的热应力。

Description

单锚点支撑式硅微谐振式加速度计

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)中的硅微加速度惯性传感器，具体是一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计。

背景技术

硅微加速度计是一种典型的MEMS(Micro Electromechanical system，微机电系统)惯性传感器，其加工工艺与微电子加工技术兼容，可实现批量生产，具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、可靠性高、易于智能化和数字化，可满足恶劣环境应用等特点，是当今加速度计发展的热点方向之一，有着重要的军用价值和广泛的民用前景。

区别于一般的电容检测式加速度计，硅微谐振式加速度计通过检测谐振频率变化量获取输入加速度的大小。它的基本特征是输出准数字信号的频率信号，易于检测、抗干扰性好，在传输和处理过程中也不易出现误差。

目前，现有的硅微谐振式加速度计一般由谐振器和质量块和玻璃基底组成，两个谐振器尺寸完全相同，且相邻上下对称布置，可动结构由多个锚点支撑，但是由于在加工过程中不可能使得谐振器加工的完全对称，所以材料属性不匹配和环境温度对器件的影响就凸现出来了。硅微谐振式加速度计在加工中广泛应用锚点键合，在锚点键合时，环境温度要控制在400℃，结构层材料(硅)和基底材料(玻璃)被加热到400℃左右，由于硅跟玻璃的热膨胀系数和热传导系数的差异，在有多个锚点时，任意两个锚点之间硅与玻璃之间材料属性的不匹配，就会导致硅材料不能自由地热胀冷缩，当结构键合后被冷却至室温时，就会产生较大的残余应力，残余应力会通过影响谐振器的力学特性而影响谐振频率的稳定性；此外，在使用环境中，当温度变化时，由于材料属性的不匹配，多锚点式硅微谐振式加速度计也会产生热应力，导致谐振频率的漂移，使谐振器有很高的温度敏感性，也会引起谐振器频率和品质因数的变化。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，包括下层玻璃基底，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在玻璃基底和引线层上设有键合层，通过键合层把硅结构层悬置于玻璃基底之上；整个上层硅结构层的可动结构由唯一的锚点支撑；上层硅微机械结构包括固定支撑框架和两个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二上层硅微机械子结构，第一、第二上层硅微机械子结构沿上层硅微结构层竖直方向排列，并且关于上层硅微机械结构水平轴对称；第一、第二上层硅微机械子结构形成的差分结构构成一组加速度测量模块。

其中，结构层的可动结构仅由唯一的锚点支撑，可动结构的唯一锚点位于上层硅微机械结构层的中心位置，固定支撑框架与可动结构的唯一锚点相连，且对称分布。

其中，固定支撑框架呈“8”字形排列，可动结构的唯一锚点位于固定支撑框架的中心位置。

其中，上层硅微机械子结构包括质量块、质量块支撑梁、一级杠杆放大机构以及谐振器子结构，质量块通过质量块支撑梁与固定支撑框架相连接，一级杠杆放大机构和谐振器子结构设置于各质量块端部。

其中，质量块均为长方形块状结构，质量块支撑梁分为两组，其中一组质量块支撑梁安装在质量块的一侧，而另一组安装在质量块的另一侧，且该两组质量块支撑梁关于质量块水平中心轴对称。

其中，一级杠杆放大机构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁和杠杆锚区，其中，支点梁和输出梁分别设置在杠杆臂的同一端，而杠杆臂的另一端设置输入梁，且所述输入梁与输出梁分别位于杠杆臂的两侧，同时所述支点梁处于输入梁与输出梁之间，所述支点梁与杠杆锚区相连；两个一级杠杆放大机构分别通过输入梁与质量块连接，两个一级杠杆放大机构位于同一条直线上且两个一级杠杆放大机构对称设置，而输出梁与谐振器子结构的第一连接块相连；

其中，谐振器子结构包括谐振器端部、谐振器第一连接块、谐振器第二连接块、驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架以及两个谐振梁；两根谐振梁平行排列，且两个谐振梁的一端通过第一连接块的一端连接在一起，而第一连接块的另一端连接到谐振器端部，谐振器端部的另一端与两个一级杠杆放大机构的输出梁上，同时两个谐振梁的另一端通过第二连接块的一端连接在一起，而第二连接块的另一端与固定支撑框架相接；所述两根谐振梁相对的外侧均设置有梳齿架，而可动梳齿附加在梳齿架上，检测固定梳齿附加在检测电极上，驱动固定梳齿附加在驱动电极上，且可动梳齿分别与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。

其中，质量块支撑梁为折叠梁，其一端与质量块相接，另一端与固定支撑框架相接；且所述质量块支撑梁的形变方向与谐振梁振动方向相垂直。

本发明的原理为，硅结构层由完全分离的两部分结构组成，形成一组差分结构，上侧机械子结构即第一上层硅微机械子结构与下侧机械子结构即第二上层硅微机械子结构关于上层硅微机械结构水平轴完全对称。两部分结构完全分离，从而隔断上下谐振器通过质量块发生相互作用的通道，消除了上下谐振器之间的耦合；每部分结构都包括质量块、支撑梁、一级杠杆放大机构、谐振器；每部分结构中质量块通过四根支撑梁与固定支撑框架相连；谐振器与一级杠杆放大机构位于质量块的端部，一端连接在杠杆机构的输出梁上，另一端与固定支撑框架相接；两个一级杠杆放大机构，其中杠杆机构的输出梁和支点梁位于杠杆臂的内侧，输入梁位于杠杆臂的外侧。整个结构层的可动结构只由唯一的锚点通过键合层与基底层相连，使得可动结构可以自由地收缩与膨胀，从而有效抑制了材料属性不匹配所带来的影响，消除了键合时产生的残余应力以及环境变化时的热应力。

当有加速度输入时，质量块把加速度转化成惯性力，被杠杆机构放大的惯性力施加在谐振器上，导致差分谐振器中的一个谐振器谐振频率增加，另一个谐振器谐振频率减小，通过测量两个谐振器的谐振频率差就可以得到输入加速度大小。两个谐振器尺寸完全相同，且差分布置，可有效抑制共模误差。

有益效果：本发明的一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，相比现有结构，具有以下有益效果：

(1)整个结构层的可动结构只由唯一的锚点通过键合层与基底层相连，锚点位于结构层的正中间，与固定支撑框架相连，固定支撑框架与可动结构的唯一锚点相连，从而有效抑制了材料属性不匹配所带来的影响，消除了键合时产生的残余应力以及环境变化时的热应力。

(2)消除结构层和基底层材料属性不匹配带来的影响是通过可动结构仅设有唯一的锚点、结构层中可动结构的各部分通过固定在此锚点的固定支撑框架上来实现的。

(3)结构层的上下两部分完全分离，并且对称分布，在全量程范围内消除了质量块相连时的上下两个谐振器的模态耦合。

(4)一级杠杆放大杆机构中，支点梁和输出梁位于杠杆臂的同一侧(下方或上方)，输入梁位于杠杆臂的另一侧(上方或下方)，在同比例的条件下，提高了放大倍数；

综上所述，本发明提出的单锚点支撑式差分硅微谐振式加速度计，不仅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料属性不匹配所带来的影响，而且可以消除键合时产生的残余应力以及环境变化时的热应力。

附图说明

图1为本发明的一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计的平面结构示意图；

图2为本发明的谐振器结构示意图。

图中，1a、1b均为质量块，2a、2b均为谐振器子结构，3a1、3a2、3b1、3b2均为一级杠杆放大机构，4a1、4a2、4b1、4b2均为杠杆臂，5a1、5a2、5b1、5b2均为输入梁，6a1、6a2、6b1、6b2均为支点梁，7a1、7a2、7b1、7b2均为输出梁，8a1、8a2、8a3、8a4、8b1、8b2、8b3、8b4均为支撑梁，9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、9i、9j、9k、9l、9m、9n均为固定支撑框架，10为可动结构的唯一锚点，11a为谐振器第一连接块，12a1、12a2为谐振梁，13a为检测电极，14a、15a为梳齿架，16a为驱动电极，17a为可动梳齿，18a为驱动固定梳齿，19a为检测固定梳齿，20a为谐振器端部，21a为谐振器第二连接块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，如图1、图2所示，包括下层玻璃基底，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在玻璃基底和引线层上设有键合层，通过键合层把硅结构层悬置于玻璃基底之上；整个上层硅结构层的可动结构由唯一的锚点支撑；上层硅微机械结构包括固定支撑框架和两个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二上层硅微机械子结构，第一、第二上层硅微机械子结构沿上层硅微结构层竖直方向排列，并且关于上层硅微机械结构水平轴对称；第一、第二上层硅微机械子结构形成的差分结构构成一组加速度测量模块。可动结构的唯一锚点位于上层硅微机械结构层的中心位置，固定支撑框架与可动结构的唯一锚点相连，且呈“8”字形排列，可动结构的唯一锚点位于固定支撑框架的中心位置。

上层硅微机械子结构包括质量块(1a、1b)、质量块支撑梁(8a1、8a2、8a3、8a4；8b1、8b2、8b3、8b4)、以及谐振器子结构(2a、2b)；所述质量块(1a、1b)通过质量块支撑梁(8a1、8a2、8a3、8a4；8b1、8b2、8b3、8b4)与固定支撑框架(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、9i、9j、9k、9l、9m、9n)相连接，固定支撑框架(9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h、9i、9j、9k、9l、9m、9n)与可动结构唯一的锚点(10)相连接，所述谐振器子结构(2a、2b)设置于质量块(1a、1b)端部。

如图1所示，第一上层硅微机械子结构包括质量块1a、质量块支撑梁(8a1、8a2、8a3、8a4)、谐振器子结构2a、两个一级杠杆放大机构(3a1、3a2)；所述质量块1a通过质量块支撑梁(8a1、8a2、8a3、8a4)与固定支撑框架(9i、9j、9n、9a)相连接，所述谐振器子结构2a设置于质量块1a下端；

如图1所示，第二上层硅微机械子结构包括质量块1b、质量块支撑梁(8b1、8b2、8b3、8b4)、谐振器子结构2b、两个一级杠杆放大机构(3b1、3b2)；所述质量块1b通过质量块支撑梁(8b1、8b2、8b3、8b4)与固定支撑框架(9g、9i、9a、9c)相连接，所述谐振器子结构2b设置于质量块1b上端。

由上述可知，本发明的第一、第二上层硅微机械子结构的结构相同，只是其布置方向不一样。如图1所示，以上层硅微结构层所在平面平行建立坐标系平面，上层硅微结构层的水平轴为X轴，竖直轴为Y轴，

由于第一、第二硅微机械子结构的结构相同，因此，只需要对其中的一个结构进行说明即可，选择第一上层硅微机械子结构进行说明，所述质量块1a为长方形块状结构，上层硅微机械子结构包括4个质量块支撑梁(8a1、8a2、8a8、8a4)，且通过质量块支撑梁(8a1、8a2、8a8、8a4)将质量块1a与固定支撑框架(9i、9j、9n、9a)相互连接，且每一个上层硅微机械子结构的所述质量块支撑梁(8a1、8a2、8a8、8a4)分为两组，其中一组质量块支撑梁(8a1、8a4)安装在质量块1a的一侧，而另一组质量块支撑梁(8a2、8a3)安装在质量块1a的另一侧，且该两组质量块支撑梁关于质量块水平中心轴对称。

第一机械子结构包括谐振子结构2a，图2为谐振器子结构的示意图，由于第一、第二上层硅微机械子结构的结构均相同，因此只需说明任意一个第一、第二上层硅微机械子结构的谐振器子结构即可，为便于说明，对第一上层硅微机械子结构的谐振器子结构2a进行说明，所述谐振器子结构包括谐振器端部20a、谐振器第一连接块11a、谐振器第二连接块21a、驱动固定梳齿18a、驱动电极16a、检测固定梳齿19a、检测电极13a、可动梳齿17a、梳齿架(14a、15a)以及两个谐振梁(12a1、12a2)；两根谐振梁(12a1、12a2)平行排列，且两个谐振梁(12a1、12a2)的一端通过第一连接块11a的一端连接在一起，而第一连接块11a的另一端连接到谐振器端部20a，谐振器端部20a的另一端与两个一级杠杆放大机构(3a1、3a2)的输出梁(7a1、7a2)上，同时两个谐振梁(12a1、12a2)的另一端通过第二连接块21a的一端连接在一起，而第二连接块21a的另一端与固定支撑框架9l相接；所述两根谐振梁(12a1、12a2)相对的外侧均设置有梳齿架(14a、15a)，而可动梳齿17a附加在梳齿架14a上，检测固定梳齿19a附加在检测电极13a上，驱动固定梳齿18a附加在驱动电极16a上，且可动梳齿17a分别与驱动固定梳齿18a、检测固定梳齿19a形成电容器。

如图1所示，所述第一机械子结构还包括两个一级杠杆放大机构(3a1、3a2)，由于两个一级杠杆放大机构(3a1、3a2)的结构均相同，只是放置方向不同，因此只需说明任意一个即可，为便于说明，对一级杠杆放大机构3a1进行说明。所述一级杠杆放大机构3a1包括输入梁5a1、杠杆臂4a1、支点梁6a1、输出梁7a1，其中，支点梁6a1和输出梁7a1分别设置在杠杆臂4a1的同一端，而杠杆臂4a1的另一端设置输入梁5a1，且所述输入梁5a1与输出梁7a1分别位于杠杆臂4a1的两侧，同时所述支点梁6a1处于输入梁5a1与输出梁7a1之间，所述支点梁6a1与固定支撑框架9j相连；两个一级杠杆放大机构(3a1、3a2)分别通过输入梁(5a1、5a2)与质量块1a连接，两个一级杠杆放大机构(3a1、3a2)位于同一条直线上，且两个一级杠杆放大机构(3a1、3a2)对称设置，而输出梁(7a1、7a2)与谐振器子结构的端部20a相连；

质量块支撑梁(8a1、8a2、8a3、8a4)采用折叠梁形式，一端与质量块1a相接，另一端与固定支撑框架(9i、9j、9n、9a)相接；且所述质量块支撑梁(8a1、8a2、8a3、8a4)的形变方向与谐振梁(12a1、12a2)振动方向相垂直。

工作原理：该加速度计由可动结构的唯一锚点10通过键合层把上层硅微结构悬置于玻璃基底的上部，可以实现结构层自由地收缩与膨胀，不仅可以有效抑制基底材料和硅材料的材料属性不匹配所带来的影响，而且可以消除键合时产生的残余应力以及环境变化时的热应力。同时，两部分完全分离的子结构组成，互不影响，能够实现完全解耦。本发明通过下质量块1a和上质量块1b把加速度载荷转换成惯性力，惯性力作用到杠杆放大机构,经过放大后作用到下谐振器2a和上谐振器2b上，两个谐振器一个受到拉力，另一个受到压力，谐振频率分别增大和减小，根据频差获得加速度载荷的大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：包括下层玻璃基底，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在玻璃基底和引线层上设有键合层，通过键合层把上层硅结构层悬置于玻璃基底之上；整个上层硅结构层的可动结构由唯一的锚点支撑；上层硅结构层包括固定支撑框架和两个上层硅微机械子结构，分别为第一、第二上层硅微机械子结构，第一、第二上层硅微机械子结构沿上层硅结构层竖直方向排列，并且关于上层硅结构层水平轴对称；第一、第二上层硅微机械子结构形成的差分结构构成一组加速度测量模块。

2.根据权利要求1所述的单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：其中，上层硅结构层的可动结构仅由唯一的锚点支撑，可动结构的唯一锚点位于上层硅结构层的中心位置，固定支撑框架与可动结构的唯一锚点相连，且对称分布。

3.根据权利要求2所述的单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：其中，固定支撑框架呈“8”字形排列，可动结构的唯一锚点位于固定支撑框架的中心位置。

4.根据权利要求1所述的单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：其中，上层硅微机械子结构包括质量块、质量块支撑梁、一级杠杆放大机构以及谐振器子结构，质量块通过质量块支撑梁与固定支撑框架相连接，一级杠杆放大机构和谐振器子结构设置于各质量块端部。

5.根据权利要求4所述的单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：其中，质量块均为长方形块状结构，质量块支撑梁分为两组，其中一组质量块支撑梁安装在质量块的一侧，而另一组安装在质量块的另一侧，且该两组质量块支撑梁关于质量块水平中心轴对称。

6.根据权利要求4所述的单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：其中，一级杠杆放大机构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁和杠杆锚区，其中，支点梁和输出梁分别设置在杠杆臂的同一端，而杠杆臂的另一端设置输入梁，且所述输入梁与输出梁分别位于杠杆臂的两侧，同时所述支点梁处于输入梁与输出梁之间，所述支点梁与杠杆锚区相连；两个一级杠杆放大机构分别通过输入梁与质量块连接，两个一级杠杆放大机构位于同一条直线上且两个一级杠杆放大机构对称设置，而输出梁与谐振器子结构的第一连接块相连。

7.根据权利要求4所述的单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：其中，谐振器子结构包括谐振器端部、谐振器第一连接块、谐振器第二连接块、驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架以及两根谐振梁；两根谐振梁平行排列，且两根谐振梁的一端通过第一连接块的一端连接在一起，而第一连接块的另一端连接到谐振器端部，谐振器端部的另一端与两个一级杠杆放大机构的输出梁上，同时两根谐振梁的另一端通过第二连接块的一端连接在一起，而第二连接块的另一端与固定支撑框架相接；所述两根谐振梁相对的外侧均设置有梳齿架，而可动梳齿附加在梳齿架上，检测固定梳齿附加在检测电极上，驱动固定梳齿附加在驱动电极上，且可动梳齿分别与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。

8.根据权利要求7所述的单锚点支撑式硅微谐振式加速度计，其特征在于：其中，质量块支撑梁为折叠梁，其一端与质量块相接，另一端与固定支撑框架相接；且所述质量块支撑梁的形变方向与谐振梁振动方向相垂直。